- I -基于多傳感器的空間機(jī)器人手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要人類的空間活動(dòng)己經(jīng)由單純的空間考察和研究時(shí)代進(jìn)入開(kāi)發(fā)利用空間資源的時(shí)代，獨(dú)特的太空環(huán)境為人類提供了特定的科研場(chǎng)所和空間生產(chǎn)基地?？臻g機(jī)器人不僅可以取代人去完成某些特定工作，也可以完成某些人所不能夠完成的工作。世界各空間大國(guó)均充分認(rèn)識(shí)到空間機(jī)器人在未來(lái)空間活動(dòng)的重要作用，都在加緊進(jìn)行空間機(jī)器人的研制工作，并投以巨資加以支持，但是建造一種全自主式的智能機(jī)器人系統(tǒng)，而采用多傳感器智能手爪系統(tǒng)賦予空間機(jī)器人局部自主能力的方案己得到專家們共識(shí)。將多種傳感器集成在機(jī)器人手爪上構(gòu)成多傳感器集成手爪系統(tǒng)能最有效地反映外界環(huán)境及工作對(duì)象的狀態(tài)，最直接的描述工作對(duì)象及其所在的外界環(huán)境、操作工具及其所操作的對(duì)象的關(guān)系，基于多種傳感器信息通過(guò)信息融合技術(shù)將這些信息合并成統(tǒng)一的綜合信息，從而準(zhǔn)確、全面地描述和識(shí)別環(huán)境中物體的特征，供機(jī)器人進(jìn)行識(shí)別、判斷、決策和規(guī)劃，進(jìn)而在高層次上進(jìn)行控制，因此研制空間多傳感器智能手爪成為空間機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)之一空間機(jī)器人智能程度的高低很大程度上平?jīng)Q于先進(jìn)的傳感器技術(shù)、多傳感器集成技術(shù)以及多傳感器信息融合技術(shù)?？臻g機(jī)器人多傳感器智能手爪的研究正式致力解決多傳感器集成技術(shù)及其多傳感器信息處理技術(shù)。同時(shí)，該項(xiàng)目的研究是在跟蹤世界先進(jìn)水平，掌握國(guó)際上空間機(jī)器人多傳感器智能手爪最新技術(shù)，縮短同國(guó)外先進(jìn)水平差距的背景下進(jìn)行的，該項(xiàng)成果對(duì)加速我國(guó)空間機(jī)器人的發(fā)展發(fā)揮了積極作用，并將推動(dòng)我國(guó)空間機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。關(guān)鍵詞 空間機(jī)器人；傳感器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；三指手爪 - II -Structural Design of Space Robot with Three Refers to Gripper Based on SensersAbstractMankind's space activities have been purely through the era of space exploration and research into the development and utilization of space resources of the times, the unique environment of space for human provide a specific place and space scientific research production base. Space robots can replace people to complete certain work and to be completed by some people not able to complete the work. The world's space powers are fully aware of space robots in the future the important role of space activities, are stepping up the development of space robots, and voted to huge amounts of money to support it, but the construction of a fully autonomous intelligent robot system And the intelligent use of multi-sensor system gives space robot gripper partial autonomy of the programme has been the experts consensus. Will be integrated in a variety of sensors on a robot gripper Gripper integrated multi-sensor system can most effectively reflect the external environment and the objects of the state, the most direct description of the objects of their work and where the external environment, and its operational tool operated by the object of the Relations, based on a variety of sensor information through the integration of information technology will be merged into a unified comprehensive information to accurately and comprehensively identify and describe the characteristics of objects in the environment for robot recognition, judgement, decision-making and planning, then at the top On the control and therefore more room for development of smart sensors Gripper become one of the key technologies of space robots for space robots smart-level summary to a large extent the level in advanced sensor technology, multi-sensor integration technology and multi-- III -sensor data fusion technology. Space Robot multi-sensor smart gripper of official efforts to solve the multi-sensor integration technology and its multi-sensor information processing technology. At the same time, the project's research office in tracking the world's advanced level, grasp the international space robot gripper as intelligent multi-sensor technology to shorten the gap with foreign advanced level in the context of, the results of speeding up the development of China's space robot Play a positive role in promoting China's space and the development of robot technology.Keywords Space Robot ；Sensors；Structural Design；three refers to gripper- IV -- V -目錄摘要 .IAbstractII第 1 章 緒論 11.1 課題研究的背景和意義 .11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .11.2.1 德國(guó) ROTEX 計(jì)劃中多傳感器智能手爪系統(tǒng)概況 .11.2.2 日本 ETS_VII 計(jì)劃中的多傳感器智能手爪系統(tǒng)概況 .21.2.3 哈爾濱工業(yè)大學(xué)多傳感器集成手爪系統(tǒng) 41.3 本文選題的意義及主要內(nèi)容 .51.3.1 選題的意義 51.3.2 本文的主要內(nèi)容 6第 2 章 多傳感器集成三指手爪的機(jī)械設(shè)計(jì) 72.1 三指手爪系統(tǒng)的組成 .72.2 三指手爪本體機(jī)械模塊組成 .72.3 手指部件的設(shè)計(jì) .82.3.1 設(shè)計(jì)原則 82.3.2 電機(jī)的選取 92.3.3 齒輪的設(shè)計(jì) 102.3.4 其他零件的設(shè)計(jì) 102.4 Pro/engineer 繪制手爪三維圖 .11第 3 章 三指手爪傳感器設(shè)計(jì) 143.1 多傳感器系統(tǒng)的配置 .143.2 三指手爪機(jī)器人多傳感器系統(tǒng)的配置 .153.3 三指手爪多傳感器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .163.3.1 傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必要性 163.3.2 六維剛性力/力矩傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .163.3.3 六維柔性腕力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 183.3.4 陣列式觸覺(jué)傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 223.3.5 激光測(cè)距傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 243.3.6 小型 CCD 攝像機(jī) 27結(jié)論 28致謝 29參考文獻(xiàn) 30- VI -附錄 A 31附錄 B 34- 1 -第 1 章 緒論1.1 課題研究的背景和意義建造一種全自主、自身健全并具有近似人類智能水平和靈活操作能力的機(jī)器人系統(tǒng)，就目前技術(shù)而言還很不現(xiàn)實(shí)，如何滿足現(xiàn)階段空間任務(wù)要求能夠完成空間操作和太空移動(dòng)的機(jī)器人的需要，空間機(jī)器人界經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析找出了新的出路，即利用先進(jìn)的遙操作系統(tǒng)，建造具有一定自主能力的機(jī)器人，充分利用現(xiàn)階段可行的技術(shù)并結(jié)合人的高智能，構(gòu)成一種人機(jī)交互系統(tǒng)，即所謂的智能遙操作技術(shù)（intelligent teleoperation)，是當(dāng)前的最佳選擇 [1]。目前，國(guó)外一些技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家已研制出多種手爪系統(tǒng)，而采用多傳感器智能手爪系統(tǒng)賦予空間機(jī)器人局部自主能力的尤以德國(guó) ROTEX 計(jì)劃，日本 ETS-VII 為代表，下面就德國(guó)、日本空間機(jī)器人計(jì)劃中多傳感器智能手爪進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，從中可以了解國(guó)外空間機(jī)器人多傳感器智能手爪的發(fā)展?fàn)顩r和發(fā)展趨勢(shì) [2]。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 德國(guó) ROTEX 計(jì)劃中多傳感器智能手爪系統(tǒng)概況德國(guó)參加歐洲宇航局空間實(shí)驗(yàn)的主要項(xiàng)目為“人參與的自由飛行” ( MTFF Man Tended Free Flyer )，該項(xiàng)目的主導(dǎo)思想是宇航員只須每隔半年去照看空間機(jī)器人室，而其余的時(shí)間，通過(guò)監(jiān)控自主方式進(jìn)行工作。就整個(gè)歐洲來(lái)說(shuō)，1985 年以前，并沒(méi)有任何有關(guān)空間機(jī)器人方面的研究經(jīng)驗(yàn)，所以 1985 年德國(guó)宇航院提出了一項(xiàng)研究計(jì)劃 ROTEX(Robot Technology ExPeriment)，對(duì)空間機(jī)器人作探索性實(shí)驗(yàn) [3]。這是自動(dòng)化領(lǐng)域在空間進(jìn)行的首次實(shí)驗(yàn)，并于 1993 年搭載美國(guó)哥倫比亞航天飛機(jī)成功地完成了一系列空間作業(yè)。ROTEX 計(jì)劃的主要技術(shù)之一是成功地采用了多傳感器智能手爪系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的局部自主。ROTEX 計(jì)劃的主體特征：一個(gè)工作范圍為 l 的六自由度機(jī)器人安裝在空間艙某處，其末端裝3m有多傳感器集成的智能手爪；作業(yè)任務(wù)：包括機(jī)械結(jié)構(gòu)件裝配，電子插頭的聯(lián)接和分開(kāi)以及浮游物體的捕捉；- 2 -操作模式：主要包括自動(dòng)地面預(yù)編程和再編程，利用立體電視監(jiān)控器的宇航員太空搖操作，利用預(yù)測(cè)計(jì)算機(jī)圖形的地面遙操作以及遙遠(yuǎn)傳感器編程 [4]。ROTEX 計(jì)劃的主要目標(biāo)：在機(jī)器人的加速運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的關(guān)節(jié)控制模式；檢驗(yàn) DLR 的基于傳感器六維控制球在零重力情形下的應(yīng)用；檢驗(yàn)一個(gè)復(fù)雜的具有強(qiáng)大人機(jī)接口能力的多傳感器機(jī)器人系統(tǒng)的功能。ROTEX 計(jì)劃中多傳感器智能手爪的重要特征是多傳感器集成。手爪配置的傳感器屬于新一代的 DLR 機(jī)器人傳感器，這些傳感器是基于所有模擬處理和數(shù)字運(yùn)算操作均在各個(gè)傳感器至少在手爪腕部完成的概念下研制的，這意味著傳感器的電子部件 SMD 化，傳感器的預(yù)處理、預(yù)放大、數(shù)字補(bǔ)償?shù)榷技稍谑肿Ρ倔w內(nèi)，它是一個(gè)高度集成化、智能化的傳感器系統(tǒng)，可以說(shuō)是目前世界上最復(fù)雜的一個(gè)手爪。ROTEX 計(jì)劃中的智能機(jī)器人手爪為單自由度、平行雙指型手爪，其上的傳感器配置如下：9 個(gè)激光測(cè)距傳感器，其中一個(gè)中距離掃描測(cè)距傳感器，其測(cè)距范圍為 3~35cm ，其余 8 個(gè)短距離測(cè)距傳感器的測(cè)距范圍為 0~3cm，它們均等地安裝在兩個(gè)手指指尖部位；2 個(gè)為 個(gè)感應(yīng)單元的二進(jìn)制觸覺(jué)陣列傳感器；2316,4m?一個(gè)基于應(yīng)變片測(cè)量的剛性六自由度力/力矩傳感器；一個(gè)微型 CCD 攝像機(jī)；手指驅(qū)動(dòng)器，即驅(qū)動(dòng)手爪開(kāi)合的步進(jìn)電機(jī)，盡管它不是傳感器，但在整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸中，它也被作為傳感器處理。該手爪采用先進(jìn)的通訊結(jié)構(gòu)，從整個(gè)手爪引出的線只有 4 條，其中兩條為電源線，兩條為各種傳感器的信息輸出線，采用 375K 波特率的串行通訊總線完成這種通訊，最終將提高到 10M 波特率的通訊頻率，該手爪安裝在一個(gè)工作空間為 l 的六自由度機(jī)器人上，全部實(shí)驗(yàn)在航天飛機(jī)的3m空間實(shí)驗(yàn)艙進(jìn)行。1.2.2 日本 ETS_VII 計(jì)劃中的多傳感器智能手爪系統(tǒng)概況ETS-VII(The Engineering Test Satellite）計(jì)劃由日本宇宙開(kāi)發(fā)事業(yè)團(tuán)(NASDA)承擔(dān)，主要研制一種自由飛行服務(wù)系統(tǒng)— 技術(shù)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星 VII 型機(jī)器人，預(yù)計(jì)在太空完成燃料加注，更換電池等衛(wèi)星服務(wù)工作，也要完成目標(biāo)星的捕捉和固定等任務(wù) [5]。為了能使空間機(jī)器人在軌道上完成精密復(fù)雜的作業(yè)，MITI(Ministry of International Robotic Trade and Industry) 正在研制一種多傳感器智能手爪ARH(Advanced Robotic Hand）參與 ETS-VII 空間機(jī)器人飛行實(shí)驗(yàn)。該智能- 3 -手爪的研制基于以下兩個(gè)出發(fā)點(diǎn)：一為通用性和遙控末端能力是空間使用單一機(jī)器人完成多項(xiàng)任務(wù)的前提，下一代空間機(jī)器人要求具有多自由度，靈活的手爪；二為基于傳感器控制的局部自主能夠克服從地面到空間的時(shí)間延遲和通訊能力缺乏造成的遙操作的困難，手爪的感知功能和智能是提高自主的關(guān)鍵 [6]。1. ARH 空間實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)述ARH 空間實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)為：I)驗(yàn)證多自由度多傳感器智能手爪對(duì)于靈活軌道服務(wù)的潛力；II）開(kāi)發(fā)和測(cè)試空間機(jī)器人關(guān)鍵的機(jī)電部件；III）精密裝配；VI）材料樣本的采集；V）浮游物體的捕捉；VI)ARH 與 ERA 之間的物料傳遞。ARH 的操作模式：I) 借助數(shù)據(jù)通訊衛(wèi)星 COMET 從地面遙控操作；II)自主操作；III）遙控與自主混合操作。2. ARH 系統(tǒng)多傳感器智能手爪安裝在長(zhǎng)約 40cm 的 5 自由微型手臂的末端，手爪具有更換功能，即手爪在軌道上通過(guò)編程控制即可以與微型手臂脫開(kāi)，又可以與手臂聯(lián)接。實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)物體如插頭、螺栓、裝配物體等安裝在工作臺(tái)上。工作臺(tái)上有手爪鎖緊裝置，用以發(fā)射時(shí)固定手臂和手爪，該裝置還用于手爪的更換平臺(tái)。見(jiàn)圖 1-1[7] 所示。3．多傳感器智能手爪日本學(xué)者認(rèn)為多自由度多指手爪缺乏機(jī)械的可靠性和實(shí)用性，并且存在著抓取穩(wěn)固性和控制復(fù)雜性的問(wèn)題，在空間手爪必須可靠地抓取和作業(yè)，不能出差錯(cuò)，在微處理器防輻射能力有限的情況下，很難可靠地控制多自由度。多手指手爪。從這點(diǎn)出發(fā)，研制了一種使用簡(jiǎn)單、可靠的機(jī)械機(jī)構(gòu)稱為半靈活性（Semi-dexterous ）三指手爪，見(jiàn)圖 1-2 所示。圖 1-1 ARH 系統(tǒng) 圖 1-2 ETS_VII 多傳感器智能手爪該手爪共配置五種傳感器，具體如下：- 4 -3 個(gè)測(cè)距傳感器，安裝在手爪的外殼上，主要用于接近工作臺(tái)控制，也用于始終面對(duì)工作臺(tái)的姿態(tài)控制；一個(gè) CCD 眼在手上（ Hand-in-eye)攝像機(jī)，主要用于目標(biāo)物體的測(cè)定、微細(xì)定位及監(jiān)視；握力傳感器，通過(guò)握力反饋控制執(zhí)行三指抓取目標(biāo)物體。一方面通過(guò)監(jiān)視握力傳感器為地面操縱者確定抓取狀態(tài)提供幫助，另一方面可以準(zhǔn)確地確定三個(gè)手指抓取物體接觸點(diǎn)的位置；一個(gè)六自由度力／力矩傳感器，主要用于微型手臂的力控制，也用于基于任務(wù)知識(shí)庫(kù)通過(guò)模型匹配技術(shù)（Pattern-matching technique）監(jiān)視空間任務(wù)的執(zhí)行情況；一個(gè)柔順力／力矩傳感器，該傳感器比六自由度力／力矩傳感器更敏感，用于監(jiān)視微細(xì)作業(yè)的執(zhí)行。該手爪包含了用于空間遙控機(jī)器人微細(xì)作業(yè)所需的傳感器、機(jī)構(gòu)和控制等多項(xiàng)技術(shù)，單使用傳感器融合技術(shù)，為空間機(jī)器人在空間完成多種任務(wù)奠定了基礎(chǔ) [8]。1.2.3 哈爾濱工業(yè)大學(xué)多傳感器集成手爪系統(tǒng)該手爪系統(tǒng)由手爪機(jī)械模塊和電路模塊組成。共集成了 14 個(gè)傳感器，該系統(tǒng)同空間機(jī)器人克服了實(shí)驗(yàn)綜合平臺(tái)中氣浮機(jī)械臂作用空間的限制。其它作業(yè)如自動(dòng)抓取、物體捕捉、電路板拔插等由多傳感器集成手爪與PUMA562 機(jī)器人組成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完成。手爪本體外觀如圖 1-3 所示。1. 多傳感器系統(tǒng)集成及控制技術(shù)，包括機(jī)器人傳感器、多傳感器集成及信息融合技術(shù)等研究；2. 基于 Internet 網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人遙操作技術(shù)，研究多操作者多機(jī)器人遙操作，包括人機(jī)交互界面、機(jī)器人協(xié)調(diào)作業(yè)、系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性等方面的研究；3. Haptic interface 及臨場(chǎng)感技術(shù)，研究信息感知設(shè)備、臨場(chǎng)感、虛擬人機(jī)交互以及虛擬傳感器信息融合技術(shù)；4. 自重構(gòu)模塊化機(jī)器人技術(shù)，研究機(jī)構(gòu)、控制及自重構(gòu)算法。具體如下：- 5 -圖 1-3 多傳感器集成手爪本體的外觀圖及各模塊的位置9 個(gè)測(cè)距傳感器組成測(cè)距傳感器組，其中 1 個(gè)為長(zhǎng)距離掃描／測(cè)距傳感器，8 個(gè)指尖短距離傳感器。2 個(gè)觸覺(jué)傳感器，位于兩個(gè)手指內(nèi)指面。1 個(gè)六自由度力／力矩傳感器。2 個(gè)滑覺(jué)傳感器。1 個(gè)帶有過(guò)載保護(hù)功能及自動(dòng)鎖緊機(jī)構(gòu)的柔順 RCC 裝置。1.3 本文選題的意義及主要內(nèi)容1.3.1 選題的意義人類的空間活動(dòng)己經(jīng)由單純的空間考察和研究時(shí)代進(jìn)入開(kāi)發(fā)利用空間資源的時(shí)代，獨(dú)特的太空環(huán)境為人類提供了特定的科研場(chǎng)所和空間生產(chǎn)基地?？臻g機(jī)器人不僅可以取代人去完成某些特定工作，也可以完成某些人所不能夠完成的工作。世界各空間大國(guó)均充分認(rèn)識(shí)到空間機(jī)器人在未來(lái)空間活動(dòng)的重要作用，都在加緊進(jìn)行空間機(jī)器人的研制工作，并投以巨資加以支持，但是建造一種全自主式的智能機(jī)器人系統(tǒng)，而采用多傳感器智能手爪系統(tǒng)賦予空間機(jī)器人局部自主能力的方案己得到專家們共識(shí) [9]。將多- 6 -種傳感器集成在機(jī)器人手爪上構(gòu)成多傳感器集成手爪系統(tǒng)能最有效地反映外界環(huán)境及工作對(duì)象的狀態(tài)，最直接的描述工作對(duì)象及其所在的外界環(huán)境、操作工具及其所操作的對(duì)象的關(guān)系，基于多種傳感器信息通過(guò)信息融合技術(shù)將這些信息合并成統(tǒng)一的綜合信息，從而準(zhǔn)確、全面地描述和識(shí)別環(huán)境中物體的特征，供機(jī)器人進(jìn)行識(shí)別、判斷、決策和規(guī)劃，進(jìn)而在高層次上進(jìn)行控制，因此研制空間多傳感器智能手爪成為空間機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)之一，空間機(jī)器人智能程度的高低很大程度上取決于先進(jìn)的傳感器技術(shù)、多傳感器集成技術(shù)以及多傳感器信息融合技術(shù)。空間機(jī)器人多傳感器智能手爪的研究正是致力解決多傳感器集成技術(shù)及其多傳感器信息處理技術(shù)。同時(shí)，該項(xiàng)目的研究是在跟蹤世界先進(jìn)水平，掌握國(guó)際上空間機(jī)器人多傳感器智能手爪最新技術(shù)，縮短同國(guó)外先進(jìn)水平差距的背景下進(jìn)行的，該項(xiàng)成果對(duì)加速我國(guó)空間機(jī)器人的發(fā)展發(fā)揮了積極作用，并將推動(dòng)我國(guó)空間機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展 [10]。1.3.2 本文的主要內(nèi)容空間智能機(jī)器人多傳感器集成手爪系統(tǒng)是一項(xiàng)工程實(shí)際意義很強(qiáng)的基礎(chǔ)研究課題，研究?jī)?nèi)容主要包括：在兼顧體積小、重量輕、操作靈活、并能集成多種傳感器的基礎(chǔ)上選取手爪執(zhí)行機(jī)構(gòu)。結(jié)合多傳感器集成技術(shù)中傳感器選擇原則，基于具體任務(wù)合理選擇傳感器配置。傳感器的配置包括：傳感器種類的選擇；傳感器數(shù)量的確定；各傳感器的安裝位置。機(jī)器人手爪所需傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。- 7 -第 2 章 多傳感器集成三指手爪的機(jī)械設(shè)計(jì)2.1 三指手爪系統(tǒng)的組成多傳感器手爪系統(tǒng)是基于模塊化思想設(shè)計(jì)的，由手爪機(jī)械模塊（包括傳感器模塊）和電路模塊組成。本設(shè)計(jì)僅對(duì)機(jī)械部分和傳感器部分進(jìn)行研究，本章和下一章將分述這兩部分的研制過(guò)程。2.2 三指手爪本體機(jī)械模塊組成手爪本體高 250mm，最大外徑為 176mm，重量小于 2.5 公斤。多傳感器集成手爪系統(tǒng)的機(jī)械模塊主要由以下部分構(gòu)成：1．三指末端執(zhí)行器模塊2．六維柔性力／力矩傳感器模塊六維柔性腕力傳感器與剛性腕力傳感器都是利用測(cè)量彈性體在力／力矩的作用下產(chǎn)生的變形量來(lái)計(jì)算力／力矩的，它們之間的根本區(qū)別就在于彈性體變形量的大小，由此決定了其他諸如傳感裝置、結(jié)構(gòu)等方面的差別。剛性腕力傳感器由于起步早，彈性體的變形很微小，因此其設(shè)計(jì)大同小異，己經(jīng)比較成熟。柔性腕力傳感器彈性體變形大，加之應(yīng)用環(huán)境往往各不相同，因而設(shè)計(jì)往往比較復(fù)雜。3．短距離激光測(cè)距傳感器模塊4．長(zhǎng)距離激光測(cè)距（含掃描）傳感器模塊5．陣列式觸覺(jué)傳感器模塊6．六維剛性力／力矩傳感器模塊六維剛性力／力矩傳感器有多種形式，如簡(jiǎn)式結(jié)構(gòu)、馬爾提斯十字梁(Maltess Cross）結(jié)構(gòu)、徑向三橫梁結(jié)構(gòu)、八角環(huán)等，本項(xiàng)目中考慮到空間的要求，即在該傳感器的可利用空間中要安裝一些處理電路，因此選取馬爾提斯十字梁結(jié)構(gòu)。7．?dāng)z像機(jī)模塊圖 2-1 給出了多傳感器集成手爪本體的外觀圖及各模塊的位置。- 8 -圖 2-1 多傳感器集成手爪本體的外觀圖多傳感器手爪本體包含了七個(gè)模塊，而陣列式觸覺(jué)傳感器模塊，短距離激光測(cè)距傳感器模塊各由兩個(gè)子模塊構(gòu)成，安裝在平移手指末端執(zhí)行器上；感應(yīng)觸覺(jué)傳感器模塊由一個(gè)子模塊組成，安裝在旋轉(zhuǎn)手指末端執(zhí)行器上；長(zhǎng)距離激光測(cè)距傳感器和攝像機(jī)模塊安裝在三指手爪的中環(huán)上。由于采用了模塊化設(shè)計(jì)原則，各模塊間易于拆裝。多傳感器集成手爪本體各模塊間裝配關(guān)系見(jiàn)圖 2-1 所示。同時(shí)多傳感器集成手爪中大部分傳感器是基于模擬及數(shù)字信號(hào)處理操作在每個(gè)傳感器或至少在手爪本體內(nèi)部完成的思想研制的，因此其機(jī)械上的裝配還包含了傳感器信號(hào)處理電路板的安裝。2.3 手指部件的設(shè)計(jì)2.3.1 設(shè)計(jì)原則手指部分的設(shè)計(jì)是指三指手爪區(qū)別于兩指手爪和多指手爪的最重要之處，本文所設(shè)計(jì)的三指手爪采用一指平動(dòng)，兩指轉(zhuǎn)動(dòng)的形式，是為了保證在手爪的動(dòng)作易于控制的前提下，盡量增加手爪的靈活性。手爪將應(yīng)用在空間站的工作中，因此手爪的設(shè)計(jì)必須小而輕。- 9 -2.3.2 電機(jī)的選取根據(jù)設(shè)計(jì)意圖，三個(gè)手指中一個(gè)為平動(dòng)，兩個(gè)為轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)計(jì)采用三組電機(jī)和減速器的配合完成此項(xiàng)工作。其中兩個(gè)電機(jī)對(duì)稱的放在手爪模塊的兩側(cè)，通過(guò)減速器直接帶動(dòng)兩個(gè)手爪轉(zhuǎn)動(dòng)；另一個(gè)電機(jī)通過(guò)減速器帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，由絲杠螺母副的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手指的平動(dòng)。電機(jī)的選用不僅要滿足設(shè)計(jì)任務(wù)中抓取力的要求，還要符合手爪外形尺寸的要求，本文選用德國(guó) Maxon[11]公司生產(chǎn)的 A2522 系列 936 型直流電機(jī)，與步進(jìn)電機(jī)相比，直流電機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn)：1．調(diào)速范圍廣，且易于平滑調(diào)節(jié)；2．過(guò)載起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大；3．易于控制，控制裝置的可靠性高；4．調(diào)速時(shí)的能量損耗較小。936 型直流電機(jī)的外觀如圖 2-2 所示，它的主要參數(shù)如下：圖 2-2 電機(jī)外觀簡(jiǎn)圖幾何尺寸：電機(jī)本體： ??23輸出軸： 16性能參數(shù)：額定電壓：15V額定功率：5W最大轉(zhuǎn)速：13600r/m額定轉(zhuǎn)矩：4N m?減速器選用與之配套的 Maxon 公司生產(chǎn)的 GP 系列 134188 型減速器，它的外觀圖如 2-3 所示，它的主要參數(shù)如下：- 10 -圖 2-3 減速器的外觀簡(jiǎn)圖幾何尺寸：減速器本體： 23??性能參數(shù)：減速比：1014：1手指的轉(zhuǎn)矩=電機(jī)轉(zhuǎn)矩 減速比=4 1014=4056mN/m=4.056N m，而設(shè)?計(jì)要求的最大抓取力為 50 牛，轉(zhuǎn)矩=力 力臂=50 0.07=3.5N m，因而滿?足設(shè)計(jì)要求。2.3.3 齒輪的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中的齒輪不擔(dān)任加速或減速的作用，而只起到傳遞運(yùn)動(dòng)的作用，故選用了兩個(gè)齒數(shù)一樣的齒輪，因?yàn)閭鬟f的力很小，齒輪的大小與電機(jī)的大小相似即可。選取的齒輪參數(shù)如下：分度圓直徑 =27mm1d模數(shù) m=1.5齒數(shù) z=18齒頂圓直徑 1271.530amm????齒根圓直徑 62.4ffdh?2.3.4 其他零件的設(shè)計(jì)各零件的擺放要考慮空間安排合理且方案可行，見(jiàn)圖 2-4 所示。本文采用一個(gè)“幾 ”字形的電機(jī)支架來(lái)固定與旋轉(zhuǎn)手指相連的減速器、電機(jī)。電機(jī)的支架兩側(cè)與外殼底部的接觸部分凹進(jìn)去是為了節(jié)省空間。該手爪工作力較小，因而可以使用減速器輸出軸直接帶動(dòng)手指旋轉(zhuǎn)。與絲杠相連的減速器、電機(jī)的固定采用一塊豎起來(lái)的鋼板。三個(gè)減速器、電機(jī)與齒輪的連接使用了緊定螺釘，因?yàn)樵撗b置承受的力較小，用此種形式可以減輕重量- 11 -并節(jié)省空間。平動(dòng)的手指由絲杠提供運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，同時(shí)加兩根鋼棒起到圖 2-4 三指部件剖視圖導(dǎo)向作用。鋼棒和絲杠兩端用兩個(gè)支架固定，以增加剛度。連接手指部件各個(gè)部分的支撐體選用 4-5mm 的鋼板，并在不必要存在的部分采用鏤空的形式，盡量減小系統(tǒng)的重量。三指部件中底板與側(cè)板的聯(lián)接使用了四個(gè)小的突起，同時(shí)具有聯(lián)接和定心的作用。三指部件與柔性傳感器相連的部分做出一個(gè)圓筒形，以增加手指與柔性傳感器的接觸面積，提高柔性傳感器的靈敏度 [12]。整個(gè)三指部件為不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為使之表達(dá)的更清楚，沒(méi)有從中間剖開(kāi)，而是采用了如裝配圖所示的剖視方法，并增加了許多局部剖。2.4 Pro/engineer 繪制手爪三維圖隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) CAD（Computer Aided Sesign）的飛速發(fā)展和日益普及，越來(lái)多的工程設(shè)計(jì)人員開(kāi)始利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行殘品的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，Pro/E 作為一種流行的高端三維 CAD 軟件，功能強(qiáng)大，應(yīng)用廣泛，越來(lái)越受到工程技術(shù)人員的青睞。除了完成畢業(yè)設(shè)計(jì)要求的 AutoCAD 繪制平面圖外，我還學(xué)習(xí)了利用pro/e 繪制三指手爪的立體圖。見(jiàn)圖 2-5 所示。- 12 -圖 2-5 三指手爪外觀圖Pro/engineer 是美國(guó) PTC(Parametric Technology Corporation）公司推出的工程設(shè)計(jì)軟件。它功能非常強(qiáng)大，其中最顯著的特征就是使用參數(shù)化的特征造型。與 AutoCAD 相比，它的技術(shù)特點(diǎn)就是參數(shù)化管理，所有的算法都是矢量化的，三維與二維圖形元素間具有關(guān)聯(lián)性，是一種非常好的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，它在國(guó)內(nèi)的研究所、大專院校和一些工廠研究部門得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。繪制三維圖可以把三指手爪的結(jié)構(gòu)說(shuō)明的更加清楚，使讀者有一個(gè)清晰直觀的概念，對(duì)三指手爪的整體外觀，各部分的空間位置有更加明確的了解。手爪的繪制主要分為五大部分，即本體的繪制、攝像機(jī)模塊的繪制、長(zhǎng)距離激光測(cè)距傳感器的繪制、旋轉(zhuǎn)手指和平移手指的繪制。Pro/e 與我們平時(shí)使用的 AutoCAD 區(qū)別很大，不僅界面不同，繪制方式和指導(dǎo)思想也大相徑庭，它的界面不直觀，命令繁雜，開(kāi)始學(xué)習(xí)時(shí)確實(shí)感到很不容易，但在熟悉了一段時(shí)間后，就會(huì)發(fā)現(xiàn) Pro/e 的功能之強(qiáng)大，使我們完全可以在學(xué)會(huì)幾個(gè)常用命令之后就能完成大多數(shù)繪圖任務(wù)。因?yàn)?Pro/e 圖主要起到示意和輔助理解的作用，所以繪制的線條比較簡(jiǎn)單，出圖時(shí)也沒(méi)有按照1: 1 的比例，零件的各部分的詳細(xì)尺寸請(qǐng)參照二維平面圖。- 13 -第 3 章 三指手爪傳感器設(shè)計(jì)3.1 多傳感器系統(tǒng)的配置智能機(jī)器人應(yīng)具備的最主要功能是系統(tǒng)在限定的條件下，理解周圍環(huán)境的變化，并作出正確的反應(yīng)和決策。多傳感器集成系統(tǒng)中各種傳感器性能上的差異提示我們?cè)诙鄠鞲衅飨到y(tǒng)中，即使某個(gè)傳感器提供的信息有一定的誤差和不確定性，通過(guò)綜合分析來(lái)自各個(gè)傳感器的信息以及有效的融合可以獲取比任何單一傳感器獲取的信息更可靠、更完整的信息。本章基于任務(wù)對(duì)多傳感器系統(tǒng)中傳感器的種類、數(shù)量及安裝位置進(jìn)行了配置。傳感器的選擇是傳感器集成技術(shù)的一個(gè)重要組成，它使多傳感器系統(tǒng)從適合于系統(tǒng)的傳感器中選擇最合適的傳感器結(jié)構(gòu)。目前選擇傳感器的類型和數(shù)量有兩種不同的方法：基于環(huán)境的優(yōu)化原則選擇法和基于任務(wù)選擇法?；诃h(huán)境的優(yōu)化原則選擇方法，以設(shè)計(jì)階段的預(yù)選擇以及適合環(huán)境和系統(tǒng)狀態(tài)變化的實(shí)時(shí)選擇為代表，前者給出了恰當(dāng)?shù)膫鞲衅鲾?shù)量和操作速度之間的關(guān)系，該關(guān)系可決定多傳感器系統(tǒng)中傳感器單元的優(yōu)排列，后者通過(guò)貝葉斯方法利用任何先驗(yàn)的物體信息決定傳感器的定位，使傳感器對(duì)目標(biāo)假設(shè)的不確定性最小?；谌蝿?wù)的選擇法主要思想是基于任務(wù)將完成任務(wù)的過(guò)程按時(shí)間及感召范圍劃分為若干段，即將任務(wù)分解，根據(jù)每個(gè)階段所需的傳感器信息合理地選擇傳感器的種類和數(shù)量。兩種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，無(wú)法斷言哪種方法更具有優(yōu)勢(shì)，然而對(duì)于智能機(jī)器人系統(tǒng)而言，所完成的任務(wù)千差萬(wàn)別，但任務(wù)的操作過(guò)程存在著一定的共性，故本文選用了基于任務(wù)選擇法。通過(guò)對(duì)一個(gè)通用智能機(jī)器人系統(tǒng)一般任務(wù)的分析，將完成任務(wù)的過(guò)程按時(shí)間及感知范圍大致分為四個(gè)階段，即“遠(yuǎn)距” 、 “接近”、 “接觸”、 “操作”階段，見(jiàn)圖 3-1 所示。每個(gè)階段是以感知范圍、所需的典型傳感器，更重要的是通過(guò)所獲取信息的種類加以區(qū)分的。在“遠(yuǎn)距 ”階段，所關(guān)心的只是環(huán)境的全局信息，該階段典型的傳感器信息如物體在整個(gè)視場(chǎng)中的大致位置及特征后，機(jī)器人手爪移向物體以獲得更加詳細(xì)的信息，進(jìn)入“接近” 階段，通常該階段所關(guān)心的并不是全局，而是局部范圍內(nèi)更詳盡的信息，該階段的信息將“遠(yuǎn)距 ”階段中有用的信息進(jìn)行細(xì)化，剔除“ 遠(yuǎn)距”階段中無(wú)用的信息，因此采用非接觸式傳感器，如安裝在手爪上的“ 接近” 階段獲得的信息比“遠(yuǎn)距”階段更詳實(shí)、精確，但并不能獲得物體的整個(gè)特征，如物體的硬度、彈性、磨擦特性等，這些信息是無(wú)法通過(guò)非接觸式傳感器獲得的，只有通過(guò)“接觸 ”階段才能獲得，在 “接觸”階段所采用的傳感器為接觸式傳感器，如觸覺(jué)傳感器，該階段的傳感器本身具有很強(qiáng)的敏感能力，可以直接- 14 -測(cè)量目標(biāo)物體的各種性質(zhì)和特征。 “操作” 階段反映了機(jī)器人與物體及環(huán)境相互作用的關(guān)系，體現(xiàn)出的傳感器信息諸如力／力距、滑動(dòng)及重量等，故采用力／力距傳感器，滑覺(jué)傳感器 [13]。圖 3-1 基于任務(wù)的傳感器選擇框圖上述每個(gè)階段選擇的傳感器種類不同，其工作范圍也有差別，但每個(gè)階段所獲得的傳感器信息均包含兩種，即所有階段共有的信息（如物體的位置、姿態(tài)等和某一階段所特有的信息。3.2 三指手爪機(jī)器人多傳感器系統(tǒng)的配置依據(jù)上述多傳感器系統(tǒng)配置策略，考慮到多傳感器集成手爪系統(tǒng)解決的只是空間機(jī)器人局部自主問(wèn)題，故“遠(yuǎn)距” 階段不是其所涉及的范疇。它只涉及“接近 ”、 “接觸”、 “操作 ”三個(gè)階段。多傳感器集成手爪集成了 9 個(gè)傳感器，具體如下：5 個(gè)測(cè)距傳感器組成測(cè)距傳感器組，其中 2 個(gè)為指尖短距離測(cè)距傳感器，3 個(gè)長(zhǎng)距離測(cè)距傳感器；1 個(gè)整列式觸覺(jué)傳感器，位于平移手指內(nèi)指面；- 15 -1 個(gè)剛性六自由度力／力矩傳感器；1 個(gè)柔性六自由度力／力矩傳感器；1 個(gè)微型 CCD 攝像機(jī)。3.3 三指手爪多傳感器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.3.1 傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必要性空間智能機(jī)器人多傳感器集成手爪要求集成傳感器體積小、重量輕、集成化程度高，并且適合空間環(huán)境。目前多數(shù)產(chǎn)品化的傳感器不能滿足其要求，為提高系統(tǒng)的集成度，基于模擬處理和數(shù)字運(yùn)算操作應(yīng)盡可能在各個(gè)傳感器至少在腕部完成的思想，來(lái)設(shè)計(jì)傳感器系統(tǒng)，包括傳感器模擬信號(hào)的放大處理、數(shù)據(jù)采集、傳感器的標(biāo)定以及傳感器信息的傳輸均在手爪體內(nèi)部完成。因此，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)手爪所需傳感器成為多傳感器集成手爪系統(tǒng)的關(guān)鍵。上一節(jié)中對(duì)手爪傳感器系統(tǒng)進(jìn)行了配置，本章將對(duì)使用的各種傳感器的設(shè)計(jì)加以介紹。3.3.2 六維剛性力/力矩傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1．六維剛性力／力矩傳感器工作原理六維剛性力／力矩傳感器有多種形式，如簡(jiǎn)式結(jié)構(gòu)、馬爾提斯十字梁(Maltess Cross）結(jié)構(gòu)、徑向三橫梁結(jié)構(gòu)、八角環(huán)等，本項(xiàng)目中考慮到空間的要求，即在該傳感器的可利用空間中要安裝一些處理電路，因此選取馬爾提斯十字梁結(jié)構(gòu)，其工作原理如圖 3-2 所示 [14]。傳感器采用電阻式應(yīng)變片原理，整個(gè)傳感器共有八個(gè)應(yīng)變?nèi)珮颍?～4，5～8，9～12，13～16，17～20，21～24，25～28，29～32。每組橋路應(yīng)變片在各種受力下的工作情況見(jiàn)表 3-1。表 3-1 中列出的均為正向承受載荷的情況，對(duì)負(fù)向承受載荷，每組橋路應(yīng)變片應(yīng)變情況正好相反。- 16 -圖 3-2 六維剛性腕力傳感器工作原理表 3-1 每組橋路應(yīng)變片在各種受力下的工作情況每 組 橋 路 應(yīng) 變 片 在 各 種 受 力 下 的 工 作 情 況`1 2 3 45 6 7 89 10 11 1213 14 15 1617 18 19 2021 22 23 2425 26 27 2829 30 31 32X 受正向力 X X X X X X X X X X X X X X X X - -+ + X X X X - -+ + X X X XY 受正向力 X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X + +- - X X X X + +- -Z 受正向力 + +- - + +- - + +- - + +- - X X X X X X X X X X X X X X X XX 受正向轉(zhuǎn)矩 + +- - X X X X - -+ + X X X X X X X X X X X X X X X X X X X XY 受正向轉(zhuǎn)矩 X X X X + +- - X X X X - -+ + X X X X X X X X X X X X X X X XZ 受正向轉(zhuǎn)矩 X X X X X X X X X X X X X X X X + +- - - -+ + - -+ + - -+ +注：表中＋表示應(yīng)變片正向應(yīng)變；一表示應(yīng)變片負(fù)向應(yīng)變；X 表示應(yīng)變片無(wú)應(yīng)變，但實(shí)際情況下，由于加工、傳感器工作原理等原因各應(yīng)變橋間存在一定的耦合，故這些應(yīng)變片存在一定的應(yīng)變，不過(guò)其相對(duì)于工作應(yīng)變片而言應(yīng)變較小。2．六維剛性力／力矩傳感器彈性體六維剛性腕力傳感器彈性體采用超硬鋁材料，整體加工成圖 3-3 所示。- 17 -圖 3-3 剛性腕力傳感器應(yīng)變片采用精密絲繞式應(yīng)變片，其工作原理是：以電阻應(yīng)變片（簡(jiǎn)稱應(yīng)變片）作為傳感元件，將其牢固地粘貼在構(gòu)件的測(cè)點(diǎn)上，構(gòu)件受力后，由于測(cè)點(diǎn)發(fā)生應(yīng)變，應(yīng)變片也隨之變形而使應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化，再用專用儀器測(cè)得應(yīng)變片的電阻變化的大小，并轉(zhuǎn)換為測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值。它的主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，能測(cè)出 10-6 的微小變化；應(yīng)變片的標(biāo)距較小，目前己能制造標(biāo)距為 0.2mm 的應(yīng)變片，因而所測(cè)應(yīng)變可近似認(rèn)為是一點(diǎn)的應(yīng)變；電阻應(yīng)變法的適應(yīng)性強(qiáng)，不僅可測(cè)量靜態(tài)應(yīng)變，也可測(cè)量動(dòng)態(tài)應(yīng)變和旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的應(yīng)變；還可以測(cè)量高溫或低溫下工作的構(gòu)件應(yīng)變；高壓容器內(nèi)壁的應(yīng)變；并可進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)量和無(wú)線電遙測(cè)等。在這里，應(yīng)變片的材料選用鎳鉻絲，并采用熱膠粘結(jié)工藝，電橋平衡采用匹配電阻式的硬件平衡方式，并采取適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償措施，來(lái)提高剛性腕力傳感器的測(cè)量感應(yīng)精度。3.3.3 六維柔性腕力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1．柔性腕力傳感器的工作原理六維柔性腕力傳感器與剛性腕力傳感器都是利用測(cè)量彈性體在力／力矩的作用下產(chǎn)生的變形量來(lái)計(jì)算力／力矩的，它們之間的根本區(qū)別就在于彈性體變形量的大小，由此決定了其他諸如傳感裝置、結(jié)構(gòu)等方面的差別。剛性腕力傳感器由于起步早，彈性體的變形很微小，因此其設(shè)計(jì)大同小異，己經(jīng)比較成熟。柔性腕力傳感器彈性體變形大，加之應(yīng)用環(huán)境往往各不相同，因而設(shè)計(jì)往往比較復(fù)雜 [15]。傳感器在受到外力／力矩作用時(shí)，其彈性體產(chǎn)生彈性變形，變形的大小同所受的外力／力矩存在一定的關(guān)系。一旦建立起這種關(guān)系，便可以反過(guò)來(lái)利用這種關(guān)系得到傳感器所受的外力／力矩。可見(jiàn)，在得到力／力矩信息之前必須知道傳感器的變形量。- 18 -圖 3-4 柔性腕力傳感器工作原理圖本文設(shè)計(jì)的柔性腕力傳感器采用圖 3-4 所示的原理檢測(cè)傳感器的位姿信息，傳感器基本的傳感單元包括一個(gè)紅外發(fā)光二極管、一個(gè)狹縫和與之相垂直的線型位置敏感元件 PSD。移動(dòng)體上的紅外發(fā)光二極管的光經(jīng)過(guò)狹縫后形成一個(gè)扇形的光平面，這個(gè)平面垂直地照在固定體的 PSD 上，PSD能夠檢測(cè)到光點(diǎn)（光平面和線型 PSD 的交點(diǎn)）的位置，六個(gè)這樣的系統(tǒng)（互相間隔 60 度）安裝在一個(gè)平面上，狹縫間隔地平行、垂直于這個(gè)平面而形成六個(gè)光點(diǎn)。這六個(gè)光點(diǎn)提供了確定移動(dòng)體位置姿態(tài)的充分必要的信息。位置檢測(cè)元件選用 PSD， PSD 器件通過(guò)輸出模擬電流信號(hào)來(lái)反映照射在其敏感面上光點(diǎn)的位置，具有分辨率高，信號(hào)檢測(cè)處理電路簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。其斷面結(jié)構(gòu)及等效電路見(jiàn)圖 3-5 所示。- 19 -(a) ( b) 圖 3-5 PSD 的斷面結(jié)構(gòu)圖及等效電路光束射到 PSD 表面的位置可以通過(guò)下式獲得： 21IxL????根據(jù)柔性腕力傳感器的運(yùn)動(dòng)范圍和測(cè)量精度選擇 PSD 型號(hào)為 S3931，根據(jù) PSD 的敏感波長(zhǎng)，本文選擇了鎵鋁砷半導(dǎo)體紅外發(fā)光二極管＃1915作為光源。2．柔性腕力傳感器的機(jī)械本體設(shè)計(jì)如圖 3-6 所示柔性腕力傳感器由內(nèi)環(huán)、外環(huán)及連接它們的彈簧組成，彈簧一端固定于內(nèi)環(huán)，另一端與外環(huán)為軸向連接，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)彈簧為受拉彈簧，同時(shí)可以保證內(nèi)環(huán)與外環(huán)同心，三個(gè)限位銷保證內(nèi)環(huán)沿各方向的運(yùn)動(dòng)范圍不超過(guò) 2mm，以免損傷彈簧并把柔性腕力傳感器的運(yùn)動(dòng)范圍限制在光平面寬度和 PSD 的測(cè)量范圍之內(nèi)。柔性腕力傳感器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于彈性體設(shè)計(jì)，彈性體設(shè)計(jì)的好壞，直接關(guān)系到腕力傳感器柔順性和測(cè)力／力矩精度。作者在柔性腕力傳感器的設(shè)計(jì)中使用了矩形截面的線性彈簧，設(shè)計(jì)的彈簧參數(shù)如表 3-2 所示。與一般彈簧相比，這種彈簧具有如下優(yōu)點(diǎn)：1．彈簧特性的線性關(guān)系較普通圓形截面彈簧更為正確；2．當(dāng)螺旋外徑受到空間限制時(shí)，它能采用較圓形截面積為大的材料，能存貯比圓形截面彈簧更大的能量。3．矩形截面彈簧的徑向軸向的彈性比可以通過(guò)不改變彈簧個(gè)數(shù)的情況下來(lái)選擇傳感器的軸向和徑向剛度。- 20 -圖 3-6 柔性腕力傳感器組成表 3-2 彈簧參數(shù)b(mm) ?D(mm) n 2(/)GNm2(/)E(/)aKNm(/)a0.45 1.2 6 5 8000 20000 3.48 2.11表 3-3 柔性腕力傳感器的各向剛度(/)xkNm(/)yk(/)zkN(/)xK(/)yN(/)zKm6.77 16.77 12.63 9140.52 9140.52 18281.04 應(yīng)該注意到，被動(dòng)柔順姿態(tài)并不是在任何工作情況都需要的，有時(shí)被動(dòng)柔順甚至影響機(jī)器人的作業(yè)效果。在這些情況下，自動(dòng)鎖定裝置對(duì)柔性腕力傳感器進(jìn)行鎖定，變?yōu)閯傂誀顟B(tài)。所以六維柔性腕力傳感器的狀態(tài)選擇對(duì)于手爪的影響是很大的，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況選擇實(shí)際的狀態(tài)。圖 3-7為自動(dòng)鎖定裝置結(jié)構(gòu)圖。- 21 -圖 3-7 柔性腕力傳感器鎖緊裝置該裝置采用直徑為 25 的步進(jìn)電機(jī)通過(guò)兩級(jí)齒輪減速后帶動(dòng)一個(gè)具有?滾動(dòng)支撐的凸輪運(yùn)動(dòng)。凸輪推動(dòng)杠桿使另一端的錐形銷與帶有錐形槽的螺栓配合。錐形槽的導(dǎo)向作用使得鎖定可以在一定的載荷下進(jìn)行，調(diào)整螺栓的位置可以保證鎖定后內(nèi)外環(huán)同心。鎖定凸輪的末段升角很小，可以使杠桿靠摩擦力自鎖。當(dāng)凸輪反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，杠桿靠彈簧力帶動(dòng)錐形銷離開(kāi)錐形槽。傳感器的鎖定和自由狀態(tài)都可以由機(jī)構(gòu)本身保持，電機(jī)在這兩種狀態(tài)下可以斷電，減小系統(tǒng)功耗。3.3.4 陣列式觸覺(jué)傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1．陣列式觸覺(jué)傳感器的工作原理目前還沒(méi)有一種合適的敏感材料既具有高的分辨力，又具有高的位置敏感度。本文根據(jù)空間智能機(jī)器人多傳感器集成手爪系統(tǒng)的作業(yè)要求，設(shè)計(jì)了磁敏 Z 元件陣列式觸覺(jué)傳感器。磁敏 Z 元件能輸出隨磁場(chǎng)強(qiáng)度成比例變化的開(kāi)關(guān)信號(hào)、模擬信號(hào)或頻率脈沖信號(hào)。模擬輸出時(shí)，磁場(chǎng)對(duì)電壓的靈敏度可達(dá) 3mV/mT；頻率脈沖輸出時(shí)，磁場(chǎng)對(duì)頻率的靈敏度可達(dá) 20Hz/mT，我們選用模擬輸出方式。模擬電壓輸出應(yīng)用時(shí)，可輸出與磁場(chǎng)強(qiáng)度成比例的模擬電壓信號(hào)，特點(diǎn)是磁敏 Z 元件的伏安特性隨磁場(chǎng)增強(qiáng)而向右偏移；磁場(chǎng)減弱又向左偏移。伏安特性如圖 3-8 所示。其工作電路圖如圖 3-9 所示。圖 3-8 磁敏 Z 元件模擬輸出伏安特性 圖 3-9 Z 元件的工作電路- 22 -伏安特性隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線，如圖 3-10 所示； 和 靈敏度曲線thVf如圖 3-11 所示，由圖 3-10 和圖 3-11 可知，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，伏安特性曲線向右移動(dòng)， 和 都增大，且其靈敏度有增大的趨勢(shì)。thVf圖 3-10 伏安特性隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化 圖 3-11 和 靈敏度曲線thVf磁敏 Z 元件能輸出隨磁場(chǎng)強(qiáng)度成比例變化的模擬信號(hào)，且其靈敏度很高，因此只要提供有磁場(chǎng)變化的磁場(chǎng)，Z 元件即可工作。觸覺(jué)傳感器的工作原理是檢測(cè)接觸面力的大小，因此，用磁敏 Z 元件檢測(cè)力值的大小采用的是間接測(cè)量法，即通過(guò)位移把磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)化成力值，圖 3-12 為其原理示意圖。圖 3-12 觸覺(jué)傳感器工作原理示意圖采用平板磁鐵在空氣中的磁場(chǎng)強(qiáng)度衰減作為 Z 元件的敏感源，通過(guò)測(cè)頭彈性裝置把力轉(zhuǎn)換為 Z 元件與磁鐵之間的距離，而 Z 元件與磁鐵之間的距離與磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化是對(duì)應(yīng)的，這樣，就通過(guò)把磁場(chǎng)強(qiáng)度參數(shù)轉(zhuǎn)換為位移參數(shù)，再轉(zhuǎn)換為力參數(shù)，從而達(dá)到測(cè)力的目的。該傳感器必須經(jīng)過(guò)標(biāo)定才可以檢測(cè)力值。圖 3-13 為觸覺(jué)傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。- 23 -圖 3-13 觸覺(jué)傳感器的結(jié)構(gòu)圖該陣列式觸覺(jué)傳感器由 4 6 個(gè)陣列點(diǎn)組成，行分辨率為 6.6mm，列分?辨率為 6.4mm，整個(gè)傳感器外形尺寸為 27.8 39 18mm。每一陣列點(diǎn)即是?一個(gè)彈性檢測(cè)機(jī)構(gòu)，該傳感器由三部分組成，即磁鐵、24 個(gè)彈性檢測(cè)機(jī)構(gòu)和屏蔽外殼。磁鐵提供磁場(chǎng)，與屏蔽外殼采用絕緣膠粘接；彈性檢測(cè)機(jī)構(gòu)由測(cè)頭、彈簧、鎖緊桿、Z 元件和引線電路板組成；測(cè)頭所受抓取力通過(guò)彈簧變形轉(zhuǎn)換為測(cè)頭位移，由于 Z 元件用絕緣膠粘在測(cè)頭開(kāi)槽里面，因此測(cè)頭將帶動(dòng) Z 元件移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量；鎖緊桿用來(lái)固定測(cè)頭； Z 元件的引線由粘在屏蔽外殼里側(cè)的引線板完成。屏蔽外殼用來(lái)屏蔽磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)，同時(shí)用來(lái)作為彈性檢測(cè)機(jī)構(gòu)的支撐體。設(shè)計(jì)選用 3mm 厚的磁鐵，材料為欽鐵硼，磁鐵中心處表面磁場(chǎng)強(qiáng)度為 80mT，四邊磁場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá) 240mT，通過(guò)彈簧設(shè)計(jì)，每一觸點(diǎn)須具有 8N左右的抓取力。3.3.5 激光測(cè)距傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1. 三角法激光測(cè)距傳感器原理測(cè)距傳感器原則上可分為三角法和非三角法兩種測(cè)量原理。三角法通過(guò)三角幾何關(guān)系計(jì)算而得出被測(cè)物體的距離，這種方法適用范圍廣，因而得到普遍的應(yīng)用。三角法測(cè)距傳感器基本上可以分為斜射光三角法和直射光三角法兩種。斜射光三角法原理如圖 3-14 所示，直射光三角法測(cè)量原理如圖 3-15所示。 - 24 -圖 3-14 斜三角法原理圖 圖 3-15 直射光三角法測(cè)量原理激光光束 I 照射在被測(cè)物體表面上，經(jīng)漫反射或部分漫反射后，通過(guò)透鏡 L 將光點(diǎn)成像在檢測(cè)元件的敏感表面 N 上，成像光點(diǎn)位置可以檢測(cè)得到，最后經(jīng)過(guò)計(jì)算就可以得出被測(cè)物體的距離。當(dāng) 時(shí)，選取入射光45。??束與透鏡光軸成直角時(shí)為參考平面位置。距離計(jì)算公式為：(3-1)''S???(3-2)''sinsind????直射光三角法是指入射光束 I 垂直于被測(cè)物體表面。檢測(cè)元件的敏感表面可以垂直于光軸，也可以不垂直于光軸。相對(duì)距離可以通過(guò)三角幾何關(guān)系計(jì)算得到。如圖 3-15 所示，當(dāng)檢測(cè)元件的敏感表面垂直于光軸（圖中T1 方式）時(shí)，d 的計(jì)算公式為式 3-3，當(dāng)檢測(cè)元件的敏感表面不垂直于光軸（圖中 T2 方式）時(shí)，d 的計(jì)算公式為式 3-4。(3-3)1sinco’‘Sd??????(3-4)'2' 'ii()S????2. 激光測(cè)距傳感器原理及基本結(jié)構(gòu)尺寸的確定本文所設(shè)計(jì)的激光測(cè)距傳感器，其基本原理與直射三角法中 T2 方式相同，只是被測(cè)物體表面并不是總能夠與激光光束垂直。如圖 3-16 所示，半導(dǎo)體激光器所發(fā)出的光束經(jīng)發(fā)射透鏡變成近似平行的光束，照射在被測(cè)